JPH0144478B2

JPH0144478B2 -

Info

Publication number: JPH0144478B2
Application number: JP55055160A
Authority: JP
Inventors: Seiji Kawai; Masayuki Motohashi
Original assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1980-04-25
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1989-09-27
Also published as: JPS56152594A

Description

【発明の詳細な説明】Ａ産業上の利用分野本発明はマニプレータの減速装置に関するもの
である。

Ｂ従来の技術一般に、ロボツト又はマニプレータにおいて、
上腕部を肩部に対して屈曲、回動作動したり、あ
るいは下腕部を上腕部に対して屈曲、回動作動す
る駆動部には、その小形、軽量化を図るために高
速、低トルクにして高出力の小形電動モータが用
いられている。小形電動モータとしては、出力が
1000W以下程度の比較的小容量のものにして、か
つ、回転数が800〜5000r.p.m程度のものが一般に
用いられている。

しかるに、電動形のロボツト又はマニプレータ
は、その全長が平均的人間の腕の1/2〜３倍程度
のものが多く、このようなマニプレータ等におい
ては、減速されて最終的に出力される回転数は、
一般に１〜30r.p.m程度が要求される。従つて小
形電動モータの回転数を減速する減速装置として
は、両者の速度比から数百分の１程度の減速比を
有するものでなければならない。

ここで、数百分の１程度の減速比を有する減速
装置としては、第１図に示すように、平歯車を用
いたものが一般に知られている。この減速装置１
は、モータ２の回転軸に備えた小径の原動歯車３
に大径の第１減速歯車４を噛合させるとともにそ
の軸に小径の歯車部４ａを設け、以下同様にして
第２、第３、第４減速歯車５，６，７を、第１、
第２、第３減速歯車４，５，６の軸に設けた歯車
部４ａ，５ａ，６ａに順次噛合させ、かつ第４減
速歯車７の軸を出力軸８として構成されている。
このような平歯車による一段の減速比は、効率、
寸法等から一般に１／５〜１／６とされており、
一段の減速比を１／５とした場合の減速比は１／
625となる。

しかし、効率が比較的良い反面、体積及び重量
が大きくなりマニプレータ等には適しないことが
多い。

また、減速装置の小形、軽量化を図るために調
和減速装置（商品名；ハーモニツクドライブ）を
使用することが考えられるが、この装置の減速比
は１／80〜１／320程度であるために、一般の減
速により数百分の一の減速比を得ることができな
い。

このため、第２図に示すように、調和減速装置
１０と、平歯車あるいは遊星歯車を用いた一段の
追加減速装置１１とを組み合わせた減速装置１２
により小形電動モータ２の回転数を出力軸８に減
速して出力させることが考えられる。

Ｃ発明が解決しようとする課題しかし、このような減速装置１２は、前述した
平歯車からなる減速装置１と比較して相当小形化
できる利点がある反面、同じ精度又は市販品によ
る組み合わせの場合、以下に述べる理由によりそ
の効率が低下するという欠点がある。

一般に、市販の減速装置、例えば第１図に示し
た減速装置１のトルク効率ηは、各段の効率η₁、
η₂、η₃、η₄の積の値に近似しており、この減速装
置１の実測したトルク効率は、第３図に示すよう
になつた。すなわち、小形電動モータ２の入力ト
ルクT_ipに対する１段の減速による出力トルクT_pp
は、直線の特性を示し、また、入力トルクT_ip
に対する４段の減速による出力トルクT_ppは、曲
線cdの特性を示した。従つて、直線特性にお
いて、入力トルクT_1ipに対し出力トルクT_1ppが出
力することになり、そのトルク効率η_Tは、η_T＝
T_1pp／T_1ipで表されるが、ここでは入力があつて
も出力零の最大点、すなわち基本的損失ａを除い
た他の部分の損失によるもののトルク効率η_Tabを
とり、その値は次式で表される。

η_Tab＝T_pp／T_ip−ａ ……(1) そしてその値は、第１図に示した減速装置１の
各段においてほぼ同じで、約0.9前後であつた。
なお、各段における基本的損失ａは異なり、歯車
が大きくなるとともに大きくなる傾向がある。こ
の傾向は入力の値にあまり影響ないシール部摩擦
や内部弾性変形等によるものと考えられる。

従つて、第１図に示した減速装置１の出力トル
クT_pp1は、次式で表される。

T_pp1＝（（（（ｔ−a₁）η₁i₁−a₂）
η₂i₂−a₃）η₃i₃−a₄）η₄i₄……(2) ここで、ｔはモータ２の出力トルク、a₁、a₂、
a₃、a₄は各段の基本的損失、η₁、η₂、η₃、η₄は各
段の効率であり、またi₁、i₂、i₃、i₄は各段の減速
比値である。

従つて、ｔ＝10（Kg・cm） a₁＝１（Kg・cm） a₂＝２（Kg・cm） a₃＝３（Kg・cm） a₄＝４（Kg・cm） η₁＝η₂＝η₃＝η₄＝0.9 i₁＝i₂＝i₃＝i₄＝５とした場合における減速装置１の出力トルクT_pp1
は、 T_pp1＝（（（（10−１）0.9×５−２）0.9×５−３）
0.9×５−４）0.9×５≒3429（Kg・cm）……(3) となる。

なお、第３図に示した特性は、平歯車を用いた
遊星歯車装置にも適用できるものである。

同様にして第２図に示した減速装置１２におけ
る調和減速装置１０の実測したトルク効率は、第
４図に示すように、１段の減速にもかかわらず、
曲線ef、曲線ghの特性を示した。そして、各曲線
ef，ghの特性におけるトルク効率η_Tef、η_Tghは、
前述した４段の減速装置１のそれとあまり変わら
ず約0.9前後であるが、それぞれの基本的損失ｅ、
ｇは、平歯車あるいは遊星歯車による一段の減速
装置より相当大きく５〜10Kg・cmとなつている。

なお、このように調和減速装置１０の基本的損
失が、一段減速の割に平歯車、遊星歯車による一
段減速装置より大きいのは、後述する如くその機
構上動力伝達の有無にかかわらず弾性変形する可
撓リング等による損失が大きいことによると思わ
れる。

従つて、調和駆動装置１０と平歯車を用いた一
段の追加減速装置１１との組み合わせからなる第
２図に示した減速装置１２の出力トルクT_pp2は、
減速装置１の場合と同様に次式で表される。

T_pp2＝（（ｔ−ｅ）η_HD×i_HD−a_G）η_G×i_G ……(4) ここで、ｔはモータ２の出力トルク、ｅ、a_Gは
それぞれ調和減速装置１０及び追加減速装置１１
の基本的損失、η_HD，η_Gはそれぞれ調和減速装置
１０及び追加減速装置１１の効率であり、また
i_HD及びi_Gはそれぞれ調和減速装置１０及び追加減
速装置１１の減速比値である。

従つて、ｔ＝10（Kg・cm）ｅ＝５（Kg・cm） a_G＝４（Kg・cm） η_HD＝η_G＝0.9 i_HD＝128 i_G＝５とした場合における減速装置１２の出力トルク
T_pp2は、 T_pp2＝（（10−５）0.9×128−４）0.
9×５≒2574（Kg・cm）……(5) となる。

故にこの減速装置１２の出力トルクT_pp2は、平
歯車からなる４段減速の減速装置１の出力トルク
T_pp1より、減速比を同数に換算した場合において
約26.7％も出力トルクが小さいことが判る。

Ｄ課題を解決するための手段本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもの
で、パイプ状の第一アームの端部に当該第一アー
ムの軸心と同心の軸心を有するパイプ状の第二ア
ームの端部を回転自在に連結し、第一アームの内部にモータを、当該モータの軸
心がアームの軸心と同心となるように具え、モー
タの回転軸が入力軸となり出力軸がモータの回転
軸と同心の遊星減速装置を第一アームの内部に具
え、遊星減速装置の出力軸を入力軸とする調和減速
装置を第一アームと第二アームとの結合部の内側
に具え、調和減速装置の構成部品であつてその構
成部品の内周面に形成された歯の数が相互に異な
りかつその構成部品の軸心が第一、第二アームの
軸心と一致する状態で並べて設けられる一対のリ
ングの一方を第一アームの端部に固定し、他方を
第二アームの端部に固定することにより、その出
力トルクの効率を向上させるとともに小形、軽量
化を図り、もつてマニプレータの小形、軽量化を
図ることを目的とするものである。

Ｅ実施例以下、第５図及び第６図を用いてこの発明の実
施例を詳細に説明する。

(a) 実施例の構成第５図は、本発明に係る減速装置１３の基本
構成図で、この減速装置１３は、高速、低トル
クにして高出力の小形電動式のモータ２に連動
連結した一段減速の遊星歯車機構を用いた遊星
減速装置１４と、この遊星減速装置１４の出力
をさらに減速して出力軸８に出力すべくこれに
直結した調和減速機構を用いた調和減速装置１
５とから構成されている。

上述した本発明に係る減速装置１３の出力ト
ルクT_pp3は、前述した各減速装置１，１２の場
合と同様に次式で表される。

T_pp3＝（（ｔ−a_PG）η_PG ×i_PG−ｇ）η_HD−i_HD ……(6) ここで、ｔはモータ２の出力トルク、a_PG、
ｇはそれぞれ遊星減速装置１４及び調和減速装
置１５の基本的損失、η_PG、η_HDはそれぞれ遊星
減速装置１４及び調和減速装置１５の効率であ
り、またi_PG、i_HDはそれぞれ遊星減速装置１４
及び調和減速装置１５の減速比値である。

従つて、ｔ＝10（Kg・cm） a_PG＝１（Kg・cm）ｇ＝10（Kg・cm） η_PG＝η_HD＝0.9 i_PG＝５ i_HD＝125 とした場合における減速装置１３の出力トルク
T_pp3は、 T_pp3＝（（10−１）0.9×５−10）0.9
×128≒3511（Kg・cm）となる。

よつて本発明に係る減速装置１３は、同一出
力トルクのモータ２を用いた前記各減速装置
１，１２とその出力トルクを比較してみると、
一番効率よく出力トルクが得られることがわか
る。このことは、一口でいえば、基礎的損失の
小さい減速装置でモータのトルクを大きくして
から、基礎的損失は大きくても小形化に有効な
減速装置を用いることによつて出力トルクの効
率を向上し得ることを意味しているものであ
る。

第６図は、上述した本発明に係る減速装置１
３を、回転関節（ねじり関節）に用いた場合の
マニプレータの半截断面図である。図において
１６は第一アームとしての固定側アームであつ
て円形パイプ状に形成されており、その端部に
は回転関節の一部を構成する円環状のボデイ１
７の基端部が複数のボルト１８を介して取り付
けられている。ボデイ１７の端部外周面には、
このボデイ１７と同一軸線上に配設した有底円
筒状のハウジング１９が、その開口端を介して
嵌装されるとともに、ボールベアリング２０を
介して回転自在に装着されている。ハウジング
１９は、ボデイ１７と共に回転関節を構成する
もので、その外底部には、円形パイプ状の第二
アームとしての可動側アーム２１が、複数のボ
ルト２２を介して同軸的に取り付けられてい
る。

前記ボデイ１７には、高速、低トルクにして
高出力の超小形のモータ２が、取付フランジ２
４からボデイ１７に螺入したボルト２５により
固定されている。モータ２の回転軸２６は、ケ
ーシング２３に装着した軸受２７により、ボデ
イ１７の軸心部において回転自在に支承されて
おり、そのハウジング１９側へ突出した端部に
は、遊星減速装置１４の太陽歯車２８が一体形
成されている。

また、ボデイ１７の内周面における太陽歯車
２８と対応する位置には、内歯車２９が一体形
成されている。そして、太陽歯車２８と内歯車
２９との間には、円周方向へ等分に配置された
複数の遊星歯車３０が噛合している。なお、太
陽歯車２８と内歯車２９とは、それぞれ回転軸
２６及びボデイ１７に一体成形する場合に限定
されるものではなく、別個に設けた太陽歯車、
内歯車を回転軸２６、ボデイ１７に嵌装する構
成とすることもできる。各遊星歯車３０の軸３
１は、ハウジング１９の底部側へ突出してお
り、それぞれの軸端は円筒状に形成した出力軸
３２のフランジ状の接続部３２ａに回転自在に
挿入されている。そして、出力軸３２は、その
両端を回転軸２６の先端部及びハウジング１９
の底部中央に突設した軸受ボス部に嵌装される
とともに、ボールベアリングの如き軸受３３，
３４を介して回転自在に支承されている。

前記出力軸３２は調和減速装置１５の入力軸
ともなるもので、これにはほぼ円柱状の回転駆
動体３５がキー３６等を介して嵌装される。回
転駆動体３５の外形は楕円状に形成されてお
り、その外周には複数のボールベアリング３７
を介して可撓性の部材からなる平ベルト状の可
撓リング３８が回転自在に嵌装されている。可
撓リング３８は、回転駆動体３５により楕円状
に撓められており、その外周面にはセレーシヨ
ン状の複数の歯部３８ａが設けられている。そ
して、可撓リング３８の歯車３８ａには、セレ
ーシヨン状の歯部３９ａ，４０ａを内周面に形
成した円環状の第１リング３９及び第２リング
４０が噛み合う。ここで、第２リング４０の歯
車４０ａの歯数は、可撓リング３８の歯部３８
ａの歯数と同数に設けられているものであり、
第１リング３９の歯部３９ａの歯数は、可撓リ
ング３８の歯部３８ａおよび第２リング４０の
歯部４０ａの歯数より２枚多く設けられてい
る。そして、第１リング３９は、複数のボルト
４１を介してボデイ１７の端面に固定されてお
り、第２リング４０は、同様にボルト４２を介
してハウジング１９の底部付近に固定されてい
る。

第６図において４３はハウジング１９の開口
部内周面に螺入したリング状のベアリング押さ
え、４４はベアリング押さえであり、第１リン
グ３９によりその軸方向の移動が規制されてい
る。また、４５はモータ駆動用リード線であ
る。

なお、固定側アーム、可動側アームは少なく
とも連結部がパイプ状であればよく、また、連
結部以外は屈曲していてもよい。

(b) 実施例の作用以上の構成により、モータ２を駆動すると、
その回転は遊星減速装置１４により大幅に減速
されて出力軸３２に出力されるとともに、調和
減速装置１５により更に大きく減速されて第２
リング４０に出力される。その結果、第２リン
グ４０と一体的に設けたハウジング１９及び可
動側アーム２１は、固定側アーム１６に対し、
１〜30r.p.mの回転数で回転するものである。

Ｆ発明の効果以上説明したように、本発明によるマニプレー
タの減速装置は相対的に回転自在に連結された第
一アームと第二アームとの連結部の内側に、モー
タと遊星減速装置と調和減速装置とを収容したの
で、マニプレータが小形、軽量化されて機能の優
れたものとなる。また、遊星減速装置と調和減速
装置とを連結して構成したので、出力トルクの効
率が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は平歯車を用いた従来の減速装置の基本
構成図、第２図は調和減速装置と平歯車を用いた
追加減速装置とを組み合わせた従来の減速装置の
基本構成図、第３図、第４図はそれぞれ従来の減
速装置におけるトルク効率の説明図、第５図は本
発明に係る減速装置の基本構成図、第６図は本発
明に係る減速装置を用いたマニプレータの半截断
面図である。２……モータ、１４……遊星減速装置、１５…
…調和減速装置、１６……固定側アーム、２１…
…可動側アーム、２６……回転軸、３２……出力
軸、３５……回転駆動体、３９……第１リング、
４０……第２リング、３９ａ，４０ａ……歯部。

Claims

【特許請求の範囲】１パイプ状の第一アームの端部に当該第一アー
ムの軸心と同心の軸心を有するパイプ状の第二ア
ームの端部を回転自在に連結し、第一アームの内部にモータを、当該モータの軸
心がアームの軸心と同心となるように具え、モー
タの回転軸が入力軸となり出力軸がモータの回転
軸と同心の遊星減速装置を第一アームの内部に具
え、遊星減速装置の出力軸を入力軸とする調和減速
装置を第一アームと第二アームとの結合部の内側
に具え、調和減速装置の構成部品であつてその構
成部品の内周面に形成された歯の数が相互に異な
りかつその構成部品の軸心が第一、第二アームの
軸心と一致する状態で並べて設けられる一対のリ
ングの一方を第一アームの端部に固定し、他方を
第二アームの端部に固定したことを特徴とするマ
ニプレータの減速装置。